铁路客车单元式变频空调机组的研究及应用

高健飞,周剑峰,薛宏佺

(中车南京浦镇车辆有限公司,江苏 南京 210031)

随着变频技术的不断发展和完善,变频空调因具有舒适、高效、节能等优点而越来越多地被应用于国内铁路交通车辆。变频空调是国家铁路节能减排、提高经济效益的有效手段,节能减排效果显著,符合国家技术进步和节能减排的政策[1]要求。变频空调的推广应用不仅符合中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)的规划,而且也是对国家有关节能减排政策以及实现碳达峰碳中和目标的具体响应。

1 25G、25T型铁路普速客车空调应用现状分析

目前大部分25G、25T型铁路客车采用定频空调。定频空调存在能源消耗高、电流冲击大、供电系统复杂、温度不易调控等缺点。2013年,中国铁路济南局集团有限公司(以下简称“济南局”)立项《机车车辆前瞻性技术研究一直流变速空调在普速客车上的应用研究》,对25G型机车DC 600 V供电客车变频空调进行了研究。从节能效果看,与定频空调相比,机车供电的DC 600 V客车变频空调年节电约为10 454 kWh/辆,节电率约为30.25%。2014年10月,为进一步验证变频空调的节能效果,济南局改造了1列25G型柴油发电车供电客车(AC 380 V),安装变频空调进行运用考核,年节油为35 822 L/列,节油率约为28.16%。变频空调节能效果明显,同时具有温度控制精度更高、车内温度波动小、舒适性更好等优点。

国铁集团在铁总发改〔2018〕97号《节约能源和环境保护发展规划(2018—2020)》和铁总发改〔2018〕147号《关于全面推进绿色铁路发展的通知》2个文件中,已将推进客车变频空调应用纳入节能环保重点工程规划,最终实现了变频空调在客车上的全面应用[2]。

2 25G、25T型铁路普速客车变频空调改造方案

为了规范变频空调设计、制造和改造工作,国铁集团于2020年陆续发布了TJ/CL 578—2020《铁路客车单元式变频空调机组暂行技术条件》、机辆技术函〔2021〕18号《铁路客车单元式变频空调机组1版统型图纸目录》、机辆动客函〔2021〕23号《既有25G、25T型铁路客车变频空调改造技术方案》。国铁集团要求:各铁路局集团公司要结合本局实际情况,综合考虑改造维修成本、剩余使用寿命、节能减排收益等因素,在大修投资规模内,按照规范程序自主安排变频空调改造工作[3]。

以25G型DC 600 V供电铁路普速客车为例,车辆变频改造项点包括空调机组、综合控制柜、车下辅助逆变电源和车体布线,如图1所示。

图1 车辆变频改造示意图

(1) 空调机组。既有客车空调机组改造时,按照E5厂修标准要求,保留原定频空调机壳,压缩机、冷凝风机、通风机等部件均需更换。变频空调箱需额外增加电控盒(集成变频器、滤波器)、传感器、电子膨胀阀、四通换向阀等部件,以及相配套的变频空调控制单元等部件。

(2) 综合控制柜。去除控制柜中部分断路器、继电器、接触器等器件。增加变频控制器、控制电交流断路器、主回路直流断路器等器件以及变频空调控制单元。

(3) 车体布线。空调供电主回路AC 380 V连接器改为DC 600 V连接器,取消1个连接器。增加1组通信线(485通讯)及DC 600 V电源线和1组车型选择线缆,并重新定义部分线号。

(4) 车下辅助逆变电源。DC 600 V供电客车空调供电由AC 380 V改为DC 600 V,逆变电源负载减小,使用2×15 kVA逆变电源即可满足车辆交流负载用电需求。但是2×15 kVA逆变电源在功率模块容量及外形尺寸均与既有逆变电源不同,小批量生产反而会增加成本,所以改造时,若车下辅助逆变电源改建议继续使用原有2×35 kVA逆变电源,不做更改,新造车辆可以考虑降低电源容量,从而减轻重量、降低采购成本。

由于变频空调的电气接口和控制逻辑等较原定频空调机组有所改变,因此在实施改造方案时需注意以下几点:

(1) 变频空调与控制柜的通讯方式、控制柜接线排至变频空调控制单元的通讯方式均采用RS485方式,因此车体布线时需注意强弱电线的间距以免通讯受强电干扰,RS485通讯线屏蔽层接地处理,增强抗干扰能力;

(2) 改造时变频空调控制单元采用DC 24 V电源供电,为保证变频空调控制单元的可靠性,避免DC 24 V电源受车上电源质量影响,改造时需将变频空调控制单元及DC 24 V电源可靠接地;

(3) 变频空调内部增加电控盒等器件,重量较定频空调有所增大,因此变频空调安装时需核算吊装、转运及固定的器件规格。

3 25G、25T型铁路普速客车变频空调改造验证

济南局和中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司响应国铁集团关于铁路绿色发展的号召,从2021年底开始共安排132辆铁路普速客车结合E5修进行变频空调改造,改造车辆涉及柴油发电车AC 380 V供电的25K、25G型和机车DC 600 V供电的25G、25T型等各型车辆[4]。

3.1 运用情况

目前改造车辆在K8322(济南—金华)、K8251(济南—北京)、T179(济南—广州)、K1284(济南—深圳东)、K1136(青岛—南宁)、Z169(青岛北—广州)、Z69(乌鲁木齐—北京西)等多条线路上运营安全,运营里程超过60万km,覆盖华北、华中、华南、西北等广阔区域,如表1所示。

表1 车辆运用状态统计(部分)

表2 DC 600 V供电车组平均温度对比 ℃

表3 AC 380 V供电车组平均温度对比 ℃

3.2 舒适性

变频空调通过变频技术和系统控制技术,按照设定温度自动运行制冷或制热,能力输出根据设定的温差自动调节,避免压缩机的反复启停[5]。济南局在济南—深圳K1284次、济南—宁波T135次对变频空调进行了集中挂运,乘务员反馈夏季制冷效果较好,车厢内降温较快且体感温度上下浮动相比定频空调小,冬季热泵升温速度高于客室电加热器,车厢内并无燥热感。

3.3 节能效果

变频空调的运营节能收益主要通过减少压缩机开关损耗、低频运行能效比高、热泵制热效率高等方式,实现车辆节电和节油[6]。济南局在济南—宁波T135次1组中编挂8辆变频空调车,与另1组对比发电车燃油消耗量,截取2022年1月20日—2月8日的变频空调车组与对比车组的油耗数据作为有效数据进行对比,如表4所示。

如表4所示,经过20天左右运行制热,变频车组总加油量为18 917 L,对比车组总加油量为22 064 L,变频车组节油3 147 L,节油率为14.2%。

在济南—广州T879次进行节能试验,截取2022年7月2日—7月31日的变频空调车组与对比车组的油耗数据作为有效数据进行对比,如表5所示。

表5 2022年7月2日—7月31日加油量对比记录表

4 结论

本文通过对普速客车变频空调改造进行跟踪分析,发现变频空调在解决车辆空调热负荷变化大、客室温度波动大及客室舒适性差等问题时具有明显优势,变频空调不仅节能效果明显,而且具有较好的技术先进性,能够很好地适应我国铁路普速客车的运用环境,代表铁路客车技术进步、增收节支、提高效益的发展方向,值得推广[7]。